[论文解读] Dynamical decoupling for superconducting qubits: a performance survey

Nic Ezzell, Bibek Pokharel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2022

Optical Network Technologies参考文献 93被引用 9

一句话总结

本文通过在三台IBM超导量子处理器上对60种动力学解耦（DD）序列进行大规模实验调查，评估其在保持任意单量子比特态方面的性能。研究发现，高阶鲁棒序列（如通用鲁棒（UR）和二次DD（QDD））始终优于传统序列（如CPMG和XY4），且通过优化脉冲间隔，基础序列的保真度可几乎达到先进序列的水平。

ABSTRACT

Dynamical Decoupling (DD) is perhaps the simplest and least resource-intensive error suppression strategy for improving quantum computer performance. Here we report on a large-scale survey of the performance of 60 different DD sequences from 10 families, including basic as well as advanced sequences with high order error cancellation properties and built-in robustness. The survey is performed using three different superconducting-qubit IBMQ devices, with the goal of assessing the relative performance of the different sequences in the setting of arbitrary quantum state preservation. We find that the high-order universally robust (UR) and quadratic DD (QDD) sequences generally outperform all other sequences across devices and pulse interval settings. Surprisingly, we find that DD performance for basic sequences such as CPMG and XY4 can be made to nearly match that of UR and QDD by optimizing the pulse interval, with the optimal interval being substantially larger than the minimum interval possible on each device.

研究动机与目标

• 评估多种动力学解耦（DD）序列在真实噪声条件下抑制超导量子比特退相干的性能。
• 在多个IBM Quantum设备上比较传统DD序列（如CPMG、XY4）与先进高阶序列（如UR、QDD、UDD）的有效性。
• 研究脉冲间隔优化对基础DD序列性能的影响，相对于更复杂鲁棒序列的表现。
• 识别在近期含噪声中等规模量子（NISQ）设备中，用于保持任意单量子比特态的最有效DD序列。
• 评估实验结果与理想脉冲DD理论预测的一致性，特别是在真实硬件约束下的表现。

提出的方法

• 在三台IBM Quantum超导量子比特设备（ibmq_armonk、ibmq_bogota和ibmq_jakarta）上实现来自10个家族的60种不同DD序列。
• 利用IBM Quantum的开放脉冲框架精确控制脉冲定时与序列执行，实现序列间的准确比较。
• 采用随机基准测试和泡利演示协议量化所有序列的状态保持保真度。
• 系统性地改变脉冲间隔，研究其对性能的影响，特别是对CPMG和XY4等基础序列的影响。
• 将实验结果与理想脉冲DD的理论预测进行比较，识别由硬件缺陷（如有限脉冲宽度和校准误差）导致的偏差。
• 对不同设备和脉冲间隔设置下的序列性能进行统计分析，以识别趋势和最优配置。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实超导量子比特硬件上，高阶鲁棒DD序列（如UR、QDD）与传统序列（如CPMG、XY4）的性能相比如何？
• RQ2 通过最优脉冲间隔选择，基础DD序列的性能可提升到何种程度？其性能是否可接近先进序列？
• RQ3 实验结果与理想脉冲DD的理论预测在多大程度上一致？硬件缺陷（如有限脉冲宽度、校准误差）在性能偏差中起什么作用？
• RQ4 哪些DD序列家族在不同IBM Quantum设备和脉冲间隔设置下表现出最一致且鲁棒的性能？
• RQ5 如何确定基础DD序列的最大保真度的最优脉冲间隔？其与各设备上可能的最小间隔相比如何？

主要发现

• 通用鲁棒（UR）和二次DD（QDD）序列在所有三台IBM Quantum设备及所有脉冲间隔设置下，始终优于其他所有序列。
• 高阶序列（如CDD、NUDD和UDD）在短脉冲间隔下表现强劲，但随着脉冲间隔变稀疏，其优势逐渐减弱。
• 通过优化CPMG和XY4等基础序列的脉冲间隔，其性能可几乎媲美高级UR和QDD序列，且最优间隔显著大于各设备可实现的最小间隔。
• 在ibmq_armonk上，表现最佳的十种序列中有五种来自QDD家族，表明该家族在真实硬件中具有强大的经验有效性。
• 观察到理论与实验之间存在差异，例如在ibmq_bogota和ibmq_jakarta上，Hahn自旋回波的表现优于CPMG，提示存在设备特异性噪声或校准效应。
• 在ibmq_jakarta上，UDDx序列的性能表现出不规则行为，与理论预期不符，可能由于设备校准误差所致，尽管UDDx₁表现异常出色。